随着科技技术的突飞猛进,越来越多的产业发展趋向于自动化、智能化。机械臂已然成为工业领域内现代化的组成部分,活跃在各个工厂车间的流水线上,也承担着越来越复杂的工作任务。因此本文将以串联机械臂为核心,结合机械臂轨迹规划与抓取的相关工作展开研究。首先,本文基于实验室自主研制五轴轻型机械臂,以该串联机械臂为研究对象,根据各关节的类型与结构尺寸,建立机械臂的DH参数表;以此为基础,进一步的推导了机械臂的正逆运动学模型;并基于MATLAB进行运动学仿真实验,验证运动学模型推导的正确性。然后根据机械臂工作范围确定机械臂各关节所需最大力矩,以此为约束完成主要硬件设施的选型,并对机械臂硬件平台进行组装、搭建,最后结合硬件模块以及相关通讯协议完成机械臂控制系统的程序编写。其次,根据机械臂轨迹规划在不同空间下的分类,介绍了关节空间下的三次多项式与五次多项式的轨迹规划,并通过仿真实验对比了两者的运动参数曲线图,可知在采用高阶多项式算法时,机械臂的运动平稳性更好;随后进一步介绍了在笛卡尔空间下的空间直线与空间圆弧的插补原理与过程,并在MATLAB下结合Robotic Toolbox分别进行了空间直线与圆的轨迹规划实验。然后,针对轨迹优化的问题,研究了基于冲击最小的单目标轨迹优化,重点分析了优化过程中一条复杂轨迹的分段多项式表达,以及针对所选优化目标建立目标函数和相关的约束方程,通过仿真实验对比原始轨迹与优化轨迹,结合运动参数曲线分析了优化轨迹的有效性,证实了优化结果有利于解决运行过程中冲击、振动过大的问题。后续更进一步的研究了基于时间最短、冲击最小的多目标优化问题,多个目标之间有时会相互矛盾、冲突,所以对多目标优化问题求解采用了NSGA-II算法,可以计算出优化解集的Pareto前端,然后可依据权重系数选出相对其他位置点的最优解。在进行多目标优化问题的仿真实验中,通过比对轨迹曲线以及运行时间和运动参数曲线图可知,轨迹优化之后的确缩短运行时间和减缓了冲击。最后,基于ROS机器人操作系统,完善整个机械臂平台的系统搭建,包括视觉系统中的相机手眼标定,以及采用SIFT算法完成目标物体的检测与定位。以上述工作为基础进行了真实环境的机械臂抓取实验,使用深度相机对目标物品进行检测与计算位姿信息,利用轨迹规划进行运动轨迹曲线计算,再结合正逆运动学模型求解各关节的旋转角度,然后硬件系统驱动机械臂各关节运动,控制机械臂末端执行器到达目标位置完成物品的取放动作,通过真实实验过程验证了本文研究工作的可行性。